Конечная стадия эволюции звезд



Мы поможем в написании ваших работ!


Мы поможем в написании ваших работ!



Мы поможем в написании ваших работ!


ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Конечная стадия эволюции звезд



 

На стадии красного гиганта звезда теряет вещество - происходит сброс оболочки,  разлетающейся со скоростью 20-40 км/сек и наблюдаемой как планетарная туманность. Планетарные туманности обогащают межзвездную среду химическими элементами. Постепенно красный гигант исчерпывает термоядерные источники энергии и теряет массу. Дальнейшая судьба зависит от массы ядра.

Белый карлик (кристаллические звезды). Им становится звезда с массой ядра менее предела Чандрасекара - 1.4 массы Солнца (предел массы белого карлика). Это стационарное, равновесное состояние. В нем не происходит ядерных реакций. Белый карлик постепенно остывает до желтого, красного и черного карлика. Это гигантский кристалл из атомных ядер, имеющий радиус, примерно равный радиусу Земли, и очень большую плотность 108-1010 г/см³ (плотность тел, состоящих из атомов не превышает 20 г/см3). Радиус карлика лежит в пределах 0.02-0.005 радиуса Солнца - около 1000 км.

Белый карлик появляется, когда красный гигант сбрасывает свои поверхностные слои, образующие планетарную туманность. Этот процесс не носит взрывного характера. Вещество белого карлика находится в состоянии кристаллической решетки из ядер и вырожденного электронного газа, давление которого, обусловленное квантовым принципом Паули, сдерживает гравитацию.

Белый карлик может быть гелиевым, углеродно-кислородным, магниевым и даже железным – зависит от первоначальной массы звезды и того, сколько массы она потеряла в процессе эволюции.

Если белый карлик входит в двойную систему, то на него может перетекать вещество звезды-спутницы. Когда масса вещества достигает критического уровня, вспыхивают термоядерные реакции. Возникает вспышка новой или сверхновой звезды. Вспышка новой звезды не приводит к изменению структуры звезды (участвуют только поверхностные слои). За несколько суток блеск звезды увеличивается в тысячи и миллионы раз. Выделяется энергия порядка 1045-1046 эрг.

Эволюция малых звезд. Если масса звезды находится в пределах 0.08-0.26 массы Солнца, то протонные реакции заканчиваются на образовании He3. Звезды с массой 0.05-0.08 массы Солнца, минуя стадию термоядерных реакций (температура внутри них не достигает 8 млн градусов), сразу переходят в состояние водородных вырожденных красных карликов.

Нейтронная звезда - конечный результат эволюции звезд с массой более 8-10 масс Солнца. При массе ядра более 1.4 массы Солнца давление вырожденного электронного газа белого карлика не в состоянии сдержать силу тяготения. Начинается быстрый гравитационный коллапс ядра звезды. Если масса ядра не более 3 масс Солнца (предел Оппенгеймера-Волкова), то давление вещества останавливает коллапс из-за нейтронизации ядра – вырожденные электроны поглощаются (вдавливаются) ядрами химических элементов. После резкого коллапса ядра оболочка падает на него и возникает ударная волна. При этом за время около 1 секунды выделяется громадная энергия, которая разбрасывает оболочку звезды. Происходит взрыв значительной части звезды - вспышка сверхновой с образованием газовой туманности. В ядре происходит всплеск рождения нейтрино, добавляющих мощи ударной волне.

Вспышка сверхновой – это величайшая катастрофа. Во время вспышки выделяется столько энергии, сколько выделяет вся галактика или сколько Солнце излучило за 5 млрд лет своего существования. Выделяют сверхновые 1-го и 2-го типов. Сверхновая 1-го типа образуется при взрыве белого карлика в двойной системе, когда на него перетекает вещество соседней звезды и его масса достигнет 1.4 массы Солнца. Сверхновые 1-го типа выделяют практически одинаковое количество энергии – 1051 эрг. Поэтому их используют для определения расстояния до галактик, в которых произошла вспышка. Масса оболочки, сброшенной сверхновой 2-го типа может быть больше в несколько раз массы Солнца.

Возможность существования нейтронных звезд была предсказана российским физиком Л.Ландау в 1932 году вслед за открытием нейтрона. Типичная нейтронная звезда имеет радиус 10-18 км и огромную плотность, соизмеримую с плотностью атомного ядра 1014–1015 г/см³. Образно ее можно назвать гигантским атомным ядром. Но есть и различия – в атомном ядре гравитация не существенна.

Ядро нейтронной звезды состоит из вырожденной сверхтекучей нейтронной жидкости. Верхний слой ядра – твердая кора из железа (с примесью хрома, никеля, кобальта и др.) и вырожденных электронов. После своего образования нейтронная звезда имеет очень высокую температуру – порядка миллиарда градусов, но быстро остывает.

Характерная особенность нейтронных звезд – высокая скорость вращения (может быть близкой к скорости света) и гигантская напряженность магнитного поля (до десятков миллиардов эрстед). Магнитная ось нейтронной звезды, как правило, не совпадает с осью вращения, поэтому нейтронные звезды были обнаружены в 1967 году в виде импульсных источников электромагнитного излучения – пульсаров, называемых маяками Вселенной.

Черная дыра (термин Джона Уилера, 1968) – звезда с непреодолимой силой тяготения. Если масса ядра умирающей звезды больше 3 масс Солнца, то уже ничто не может предотвратить гравитационный коллапс – звезда как бы взрывается внутрь, превращаясь в черную дыру (сингулярное состояние вещества).

Первая модель черной дыры построена в 1916 году на основе ОТО К.Шварцшильдом. Черная дыра – это область пространства-времени, в которой поле тяготения настолько сильно, что скорость ее преодоления (вторая космическая скорость) должна превышать скорость света. Для этого масса должна сжаться до объема меньше гравитационного радиуса r =2 G М/ c ². Для Солнца, например, r≈3 км, а для Земли – 0.8 см. Сфера гравитационного радиуса называется сферой Шварцшильда, поверхность сферы называется горизонтом событий – область, за которую ничего не выходит.

Черные дыры, подобно элементарным частицам, обладают массой, зарядом и моментом количества движения. Между черными дырами и элементарными частицами могут существовать глубинные связи, возможно взаимопревращения. Суперструнная теория представляет их как две фазы одной струнной материи.

Наблюдается не черная дыра, а выпадение на нее вещества (аккреция). При этом кандидат в черную дыру не должен иметь признаки нейтронной звезды (пульсара – нейтронной звезды, в которой ось вращения не совпадает с осью магнитного поля).

Черные дыры теряют массу за счет испарения с ее поверхности элементарных частиц, рождаемых сильным полем тяготения. Продолжительность жизни черной дыры пропорциональна кубу радиуса. Например, дыра в 10 масс Солнца испарится за 1069 лет.

Эйнштейн и Фейнман не верили в реальность черных дыр. Некоторые неэйнштейновские теории гравитации отрицают искривление пространства-времени и существовании черных дыр.

Эволюция Вселенной

 

Началом современной космологии считается создание в 1917 году Эйнштейном стационарной релятивистской космологической модели. В ее основу легла ОТО, хотя статическое пространство не является ее решением. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Вселенная безгранична, но замкнута в пространстве. Сигнал, пущенный наблюдателем, вернется к нему с противоположной стороны Вселенной. Время бесконечно, но не влияет на свойства Вселенной.

В 1922 году российский математик и физик А.Фридман выступил с критикой этой теории. Согласно Фридману пространство и время взаимосвязаны и зависят от материи. Он выдвинул принцип нестационарности Вселенной, согласно которому пространство не может быть постоянным, его кривизна меняется во времени. Из ОТО следовало два варианта развития Вселенной в зависимости от плотности вещества. Неограниченное расширение, если средняя плотность Вселенной меньше критической; периодическое расширение и сжатие, если плотность равна или больше критической. Эйнштейн не сразу, но согласился с критикой.

Решение Фридмана, продолженное в прошлое, дает состояние бесконечной плотности. В 1927 году Ж.Леметр предложил это состояние сингулярности как исходное состояние Вселенной. Он предположил, что первоначальный радиус Вселенной был 10-12 см (близким к размерам электрона), а плотность 1096 г/см3. В 1965 году С.Хокинг математически обосновал необходимость состояния сингулярности в любой модели расширяющейся Вселенной.

В 1929 году Э.Хаббл обнаружил эффект красного смещения излучения галактик, что подтверждало их разбегание. Это открытие убедительно доказывало теорию расширяющейся Вселенной.

В 1948-1956 годы начался новый этап в развитии космологии. Дж.Гамовым была предложена модель горячей Вселенной (гипотеза Большого взрыва). Момент начала времени Вселенной называется Большим взрывом. В этой теории Вселенная возникла в результате взрыва из первоначального состояния сингулярности.

Цель заключалась в том, чтобы прогнозируя ядерные реакции в начале космологического расширения, получить наблюдаемое в настоящее время соотношение химических элементов. Когда температуры были очень высоки, рождались разные частицы. По мере расширения температура падала и тяжелые частицы «вымирали», а синтез элементов ограничивался легкими элементами. Через три минуты расширения вещество состояло из 75% водорода и 25% гелия.

Теория предсказала существование в нашу эпоху фонового реликтового излучения Вселенной – остатка энергии Большого взрыва. На ранней стадии расширения почти вся плотность массы Вселенной определялась реликтовым излучением (плотность вещества меняется пропорционально R3, а излучения - пропорционально R4, т.к. у квантов меняется еще и энергия). Экспериментальным подтверждением модели горячей Вселенной явилось обнаружение реликтового излучения в 1965 году. Это фотоны и нейтрино, остывшие до 2.7 К (400-500 фотонов на см3).

Но теория не отвечала на вопросы о причинах Большого взрыва, асимметрии вещества и антивещества и др. В 1980 году группа отечественных и зарубежных физиков (А.Старобинский, А.Гут, А.Линде и др.) предложила модель инфляционной Вселенной. Здесь причины Большого Взрыва объяснялись состоянием космического вакуума. Модель принципиально не противоречит теории Большого взрыва, а дополняет ее. Она описывает Вселенную с момента10-43 сек в три этапа: сингулярность, инфляция, Большой взрыв.

Начальным состоянием Вселенной является вакуум, состояние квантовой гравитации, описываемое величинами «планковского масштаба»: энергии 1019 ГэВ, длины 10-50 см, времени 10-43 сек, плотности 1096 г/см3. Возникшая в 10-43 сек сингулярность есть квантовая флуктуация вакуума. Радиус Вселенной в этот момент составлял 10-50 см. В возбужденном вакууме (состояние ложного вакуума) в процессе рождения и уничтожения виртуальных частиц возникла огромная сила космического отталкивания, которая привела к ультрарелятивистскому процессу раздувания «пузырей» - зародышей вселенных. Виртуальные частицы не подчиняются запрету Паули: в одной точке фазового пространства их может находиться бесконечно много – это источник неисчерпаемой энергии.

Раздувание, значительно превосходившее скорость света, назвали инфляцией. На фазе инфляции в промежутке 10-43-10-34 секунды сформировались пространственно-временные характеристики нашей Вселенной. Примерно за 10-34 сек Вселенная раздулась в громадный шар с размерами намного больше Метагалактики (наблюдаемой области Вселенной). Метагалактика имеет размер 1028 см. Но это не противоречит СТО, так как раздувание не связано с установлением причинно-следственных связей в веществе и излучении, которые к тому времени еще не образовались. В настоящее время Вселенная раздулась до размеров 101 000 000 см. Масса Вселенной составляет 1058 г.

Сила, образовавшая Вселенную, ̶ суперсила (супергравитация) ̶ объединяла четыре фундаментальных взаимодействия. Возможно, это суперструнная сила. После фазы инфляции она распалась. Образование фундаментальных частиц – кварков и лептонов – единовременно связано с образованием типов их взаимодействий. Эволюция Вселенной есть переход от более высокой к более низкой симметрии (асимметрии), чередование порядка и хаоса.

На фазе инфляции Вселенная была пустой и холодной. Примерно через 10-34 сек после начала расширения ложный вакуум из-за неустойчивости распался, и силы космического отталкивания иссякли и началась эволюция горячей Вселенной. Огромные запасы энергии вакуума высвободились в виде 1019 ГэВ (Большой взрыв), мгновенно нагрев Вселенную до температуры Т=1032 К. В настоящее время остатки этого излучения наблюдаются как реликтовое - его изучение позволяет заглянуть в прошлое до 10-30 сек от начала.

Благодаря энергии Большого взрыва энергия частиц достигала 1019 ГэВ. В этот период вещество существовало в виде виртуально-плазменной смеси вещества и антивещества - кварков и лептонов. Затем Вселенная стала остывать, проходя фазовые переходы, где последовательно обособлялись гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. Таким образом, Большой взрыв характеризует Вселенную не в момент перехода из сингулярного состояния, а в момент перехода из холодного в горячее состояние.

Когда фаза инфляции закончилась Большим взрывом (Т=1032 К, 1019 ГэВ, t═10-34 сек), произошел первый фазовый переход: от суперсилы отделилась гравитация. Вещество и антивещество аннигилировали (уничтожались) и одновременно распадались. Однако распад частиц и античастиц шел по-разному. Образовалось преобладание (антисимметрия) вещества над антивеществом - на 1 млрд. античастиц было 1 млрд. плюс одна частица вещества. Избыточное вещество стало материалом нашей Вселенной. Вселенная представляла кварк-лептонную плазму. При той температуре лептоны и кварки были неразличимы, свободно превращаясь друг в друга. Роль частицы-посредника выполнял Х-бозон массой 1014 mp.

Новый фазовый переход (Т=1015 К, 1014 ГэВ, 10-12 сек): отделилось сильное взаимодействие. Х-бозон распался на глюоны и безмассовый бозон – переносчик электрослабого взаимодействия. Обрели массу покоя кварки и лептоны, которые стали различимыми. Они являются реликтами этой эпохи.

Следующий фазовый переход произошел при Т=1013 К, 103 ГэВ, 10-5 сек – разделилось электрослабое взаимодействие. Электрослабый бозон разделился на фотон и переносчиков слабого взаимодействия. Образовались фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы в их современной форме. Кварки объединились в адроны и начался первичный нуклеосинтез – синтез ядер гелия.


Будущее Вселенной

 

В космологических моделях Фридмана предполагалось, что судьба Вселенной определяется борьбой двух противоположных сил – тяготения и кинетической энергии, полученной веществом в момент Большого взрыва. Критическая плотность вещества во Вселенной: ρ═3 H ²/8π G ≈2×10-29 г/см³, где H – постоянная Хаббла, G – гравитационная постоянная. Если плотность вещества Вселенной больше или равна критической, то Вселенная периодически будет расширяться-сжиматься. Исходя из общей массы Вселенной (1058 г.) полный цикл равен 100 млрд. лет. При переходе от одного цикла к другому могут изменяться физические константы. Рост энтропии требует уменьшения продолжительности циклов.

Если Вселенная будет бесконечно расширяться, через 1015 лет планеты начнут отрываться от звезд, звезды от галактик. Через 1019 лет галактики распадутся, а звезды погибнут - превратятся в черные дыры, нейтронные звезды и черные карлики.

 Если протон распадается, то через 1033 лет Вселенная будет состоять из черных дыр, нейтрино и фотонов. Через 1096 лет черные дыры испарятся и останутся фотоны ничтожной плотности и энергии (смерть Вселенной, возврат в физический вакуум).

Если протон не распадается, то примерно через 101500 лет звезды, не превратившиеся в черные дыры, остывая, станут нейтронными, а через  лет они превратятся в черные дыры, которые за 1067 лет испарятся и останутся фотоны и нейтрино почти нулевой плотности.

Открытое в 1998 году ускоренное расширение Вселенной подтвердило открытую космологическую модель. Наблюдения сверхновых звезд показали, что только первые 6-8 млрд лет Вселенная расширялась с замедлением. Таким образом, модели Фридмана описывают состояние Вселенной лишь первые 6-8 млрд лет.

Данные 2003 года показывают, что возраст Вселенной 13.7 млрд лет и пространство плоское. Примерно такой же возраст самых старых минералов, упавших на Землю из Космоса. Кривизна пространства, определяемая как отношение средней плотности вещества к критической, близка к 1, что характеризует плоскую Вселенную.

Антигравитация . Ученые пришли к выводу, что ускоренное расширение осуществляется за счет силы всемирного отталкивания – антигравитации, получившей название темной энергии, которая начала проявлять себя 5-7 млрд лет назад. В конце концов, действие темной энергии разорвет Вселенную, вещество которой разлетится со скоростью превышающей скорость света.

Источником антигравитации является космический вакуум. Во-первых, плотность космического вакуума одинакова в пространстве, постоянна во времени и не зависит от расширения Вселенной. Во-вторых, обладая положительной плотностью, космический вакуум обладает отрицательным давлением (этим свойством не обладают другие виды материи). Поэтому космический вакуум вызывает отталкивание. В-третьих, плотность космического вакуума не только не равна нулю, но и, похоже, превосходит плотность энергии всех остальных форм материи вместе взятых. По подсчетам на вакуум приходится около 67% энергии Вселенной, на темную материю (не взаимодействует с обычным веществом) – 29%, на обычное вещество (барионное, т.е. состоящее из протонов и нейтронов) – 4%, на излучение (фотоны, нейтрино, возможно, гравитоны и др.) – 0,03%. В-четвертых, космический вакуум не излучает электромагнитных волн (поэтому его и называют темной энергией). В-пятых, согласно теоретическим представлениям, он способен влиять на все остальные формы материи, а также на пространство и время, но при этом сам не испытывает их влияния. В частности, влияя на гравитацию, вакуум сам не поддается гравитационному воздействию.

По-видимому, на начальных этапах эволюции Вселенной плотность вещества превышала плотность вакуума, поэтому тяготение преобладало над отталкиванием, а расширение осуществлялось с замедлением. Если не проявятся какие-то неизвестные силы, будущее Вселенной будет определяться свойствами вакуума. Предполагается, что космический и физический вакуум (из квантовой механики) совпадают. Наука только начинает разбираться в свойствах вакуума.



Последнее изменение этой страницы: 2021-04-04; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 34.239.177.24 (0.013 с.)